CN110524317A - 一种电磁耦合抛光设备及其电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁耦合抛光设备,包括多层驱动输入结构、用于装设电磁流变抛光液的电场盘结构以及磁极盘摆动结构，磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫，电场盘结构产生的电场与磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度；其中多层驱动输入结构包括基座、设于基座上的偏心传动部分以及主传动部分，磁极盘摆动结构设于偏心传动部分上，电场盘结构设于主传动部分上。本发明中电场盘结构产生的电场与磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度，从而实现对工件表面的高效超光滑加工。

Description

一种电磁耦合抛光设备及其电磁耦合控制磨粒状态的抛光 方法

技术领域

本发明涉及抛光装置领域，更具体地，涉及一种电磁耦合抛光设备及其电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法。

背景技术

信息科学技术在高速发展，半导体材料在微电子元器件领域的应用愈加广泛，同时对其使用性能提出了更高的要求，常见的半导体材料包括单晶硅、氧化铝、钛酸锶和单晶碳化硅等。一般半导体晶片制造要经过切片、研磨、抛光等工序，要达到良好的使用性能，一方面晶片的表面精度需要达到超光滑程度(粗糙度Ra达到1nm以下)，面型精度也有较高要求(面形精度达到0.5微米以下)，另一方面晶片尺寸的不断扩大也给超精密抛光加工带来更大的挑战。

现有国内外对大尺寸半导体晶片的加工装置主要是高效研磨、超精密抛光、化学机械抛光、磁流变抛光和基于端面磨床的磨抛加工等。其中磁流变抛光技术是应用磁流变流变效应产生半固着的柔性抛光头从事抛光加工的方法，相对其他抛光技术能够有效减少工件加工表面的细微裂纹和残余应力，国内外针对晶片的磁流变抛光方法包括有逐点扫描加工方法，但其加工效率较低，不能适应大面积晶片加工的效率要求；专利CN103192297B一种单晶碳化硅晶片的化学集群磁流变复合加工方法基于芬顿反应腐蚀单晶SiC反应、磁流变抛光原理、集群作用机理提出化学反应和机械加工的复合抛光方法，有效提高了一定尺寸单晶SiC的加工效率，但是此加工方法适应性弱，不能广泛应用于其他晶片材料的抛光加工，另一方面其磁极集群程度较低，仍可以进行优化；专利CN 103317413 B电磁自激震动电流变复合抛光方法及装置电磁自激震动电流变复合抛光方法及装置，此加工方法引入电磁自激振动实现电场发生装置的高速纵向往复运动，从而对由电流变效应产生的柔性磨头产生纵向作用，提高加工效率，但由于仍为单点抛光方法，不能适应大尺寸晶片加工的需求。

因此亟需一种能解决各类难加工、超硬脆材料的加工难题，保证工件表面不产生亚表面损伤和降低残余应力的加工设备，从而进一步适应满足半导体材料晶片等的高效率超精密加工要求，提高加工的效率。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种电磁耦合抛光设备。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电磁耦合抛光设备,所述抛光设备包括多层驱动输入结构、用于装设电磁流变抛光液的电场盘结构以及磁极盘摆动结构，所述磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫，所述电场盘结构产生的电场与所述磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度；其中所述多层驱动输入结构包括基座、设于所述基座上的偏心传动部分以及主传动部分，所述磁极盘摆动结构设于所述偏心传动部分上，所述电场盘结构设于所述主传动部分上。

在本技术方案中，工件被夹持放置在电场盘结构中并位于电磁流变抛光液上方，在磁极盘摆动结构的作用下，电磁流变抛光液形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫；此外，电场盘结构产生的电场与磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度，从而实现对工件表面的高效超光滑加工。

优选地，所述基座包括底板以及设于所述底板上的凸型底板，所述凸型底板底部设置有第一空腔结构，所述凸型底板的上端面设置有贯穿所述第一空腔结构的圆孔，所述圆孔中安装有定轴，所述定轴的一端与所述底板固定连接；所述偏心传动部分安装在所述定轴上，所述主传动部分安装在所述偏心传动部分上。在本技术方案中，定轴固定安装在底板上，偏心传动部分安装在定轴上且能够绕着定轴旋转运动；主传动部分活动安装在偏心传动部分上，且能够绕着偏心传动部分做旋转运动。

优选地，所述偏心传动部分包括通过第一套筒、第一轴承安装在所述定轴上的空心偏心转轴、固定设于所述空心偏心转轴一端的第一从动带轮以及与所述第一从动带轮通过第一同步带相连的第一主动带轮，所述第一主动带轮与设于凸型底板上的第一驱动电机的主轴相连；所述第一主动带轮、第一从动带轮以及第一同步带均设于所述第一空腔结构中，所述磁极盘摆动结构固定安装在所述空心偏心转轴远离第一从动带轮的一端。在本技术方案中，为了使得空心偏心转轴与定轴活动连接，定轴上安装第一套筒与第一轴承，且第一轴承设置有两组，两组第一轴承设置在套筒的上下两端，第一驱动电机带动第一主动带轮转动，第一主动带轮通过第一同步带带动第一从动带轮旋转，第一从动带轮带动与其固定相连的空心偏心转轴旋转，在空心偏心转轴旋转的过程中，空心偏心转轴带动与其固定相连的磁极盘摆动结构旋转，从而使得磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫，从而对工件进行初步的抛光处理。

优选地，所述主传动部分包括通过第二套筒、第二轴承安装在所述空心偏心转轴上的空心转轴、固定设于所述空心转轴一端的第二从动带轮以及与所述第二从动带轮通过第二同步带相连的第二主动带轮，所述第二主动带轮与设于凸型底板上的第二驱动电机的主轴相连；所述第二主动带轮、第二从动带轮以及第二同步带均设于所述第一空腔结构中，所述空心转轴远离第二从动带轮的一端固定设置有具有敞口结构的旋转转接盘，所述旋转转接盘上设置有用于调节所述磁极盘摆动结构摆幅的磁极盘摆幅调节结构，所述旋转转接盘上设置有用于与所述电场盘结构相连接的紧固装置。在本技术方案中，为了使得空心转轴与空心偏心转轴活动连接，第二套筒与第二轴承分别安装在空心偏心转轴上，且第二轴承可以设置两组，两组第二轴承可分别设置在第二套筒的上下端面上。第二驱动电机带动第二主动带轮旋转，第二主动带轮通过第二同步带带动第二从动带轮旋转，第二从动带轮带动与其固定相连的空心转轴旋转，空心转轴带动固定安装其上的旋转转接盘旋转，由于旋转转接盘与电场盘通过紧固装置锁紧，旋转转接盘在转动的同时带动电场盘旋转。此外，旋转转接盘上设置的磁极盘摆幅调节结构可用于调节磁极盘摆动结构的摆幅，从而可以实现针对不同加工对象所需的磁场偏摆幅度，结构更加简单，保证了柔性抛光垫的磁性链在磁场盘偏摆时得到重新排布二次实现磨料的更新自锐和抛光垫的实施修复。

优选地，磁极盘摆动结构包括螺纹连接在空心偏心转轴上的交叉滚子轴承以及与所述交叉滚子轴承固定连接的磁铁安装盘；所述磁铁安装盘上端面设置有圆槽，所述圆槽中设置有磁轭盘，所述磁轭盘上依次交替设置有第一环形磁铁组以及第二环形磁铁组,所述第一环形磁铁组与所述第二环形磁铁组之间设置有铝环组，所述磁铁安装盘的下端面与所述磁极盘摆幅调节结构相连接。在本技术方案中,第一环形磁铁组以及第二环形磁铁组的设置使得磁极盘摆动结构产生强度不一的磁场。在本技术方案中，空心偏心转轴、旋转转接盘、磁极盘摆幅调节结构、磁极盘摆动结构构成曲柄摇杆关系，磁极盘摆动结构作为连杆在空心偏心转轴转动时保持往复平动。

优选地，所述磁极盘摆幅调节结构包括设于磁铁安装盘下端面的第一阶梯孔、一端通过第四轴承安装于所述第一阶梯孔中的第一连接轴、设于旋转转接盘上端面的第二阶梯孔、一端通过轴承安装于所述第二阶梯孔中的第二连接轴以及用于调节第一连接轴与所述第二连接轴轴心距的调节装置；所述调节装置包括具有第二空腔结构的电机固定件、设于所述电机固定件上的第三驱动电机以及安装在所述第二空腔结构中的内圆偏心筒，所述第三驱动电机的输出轴伸入至所述第二空腔结构中并与所述内圆偏心筒相连接，所述第二连接轴的另一端通过第七轴承安装在内圆偏心筒的第二空腔结构中，所述第一连接轴的另一端与所述电机固定件固定连接。在本技术方案中，磁极盘摆幅调节结构中的调节装置调节第一连接轴与第二连接轴的间距，可以实现针对不同加工对象所需的磁场偏摆幅度，结构更加简单，也保证了柔性抛光点的磁性链在磁极盘摆动结构偏摆时得到重新排布二实现磨料的更新自锐和抛光垫的实施修复。

优选地，所述电场盘结构包括设于定轴上并位于所述磁铁安装盘上方的下绝缘盘以及设于所述下绝缘盘中的盘型电极，所述盘型电极上设置有若干环形凹槽，所述环形凹槽中设置有绝缘凹槽组，所述绝缘凹槽组中设置有环形电极组；所述下绝缘盘的上端面覆盖设置有上绝缘抛光盘；所述盘型电极外圆侧设置有盘面挡边；所述定轴为空心定轴，所述空心定轴上从上至下依次设置有第二导电滑环以及第一导电滑环，所述下绝缘盘中心并位于空心定轴侧设置有第一碳刷构件与第二碳刷构件，所述第一碳刷构件的一端与所述第一导电滑环电连接，所述第一碳刷构件的另一端与盘型电极电连接；所述第二碳刷构件的一端与所述第二导电滑环电连接，所述第二碳刷构件的另一端分别与对应的环形电极组电连接；所述第一导电滑环与所述第二导电滑环分别通过设于空心定轴中的导线连接在高压发生器上，所述紧固装置用于连接所述旋转转接盘与所述下绝缘盘。在本技术方案中，通过高压发生器为盘型电极以及环形电极组提供合适电压大小和频率的交直流电，相邻电极在下绝缘盘形成高压电场，产生的高压电场和磁极盘摆动结构产生的磁场对柔性抛光垫的耦合作用进一步提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度，有利于对工件进行有效的抛光处理。

优选地，所述磁极盘摆幅调节结构为一个或多个，第二阶梯孔的半径等于所述第一阶梯孔的半径，所述第二阶梯孔的半径大于空心偏心转轴的偏心距，所述调节装置调节第一连接轴与第二连接轴的轴心距的范围大于等于空心偏心转轴的偏心距。

本发明还提供一种电磁耦合抛光设备的电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法，主要包括以下步骤：

S1：针对加工对象的特点，选择合适的第一环形磁铁组与第二环形磁铁组的半径组合、对第一环形磁铁与第二环形磁铁组进行轴向充磁且充磁方向相同或相反，将第一环形磁铁组与第二环形磁铁组安装在磁轭盘内，根据磁铁盘偏摆幅度的需求，启动第三驱动电机调整所述磁极盘摆幅调节结构中第一连接轴与第二连接轴的中心距；由于柔性抛光垫的链串随磁场线分布；充磁方向相同，盘面磁场线都是垂直向上；充磁方向相反，则磁场线在两个磁极之间成桥状；

S2：将工件安装在工具头上，工件下表面与抛光设备上绝缘抛光盘面保持端面水平，通过上下提升结构调整工件下表面和上绝缘抛光盘面间距为0.5mm-5mm；

S3：根据加工对象配置电磁流变抛光液，其组分包括20％-50％粘度为50CS-500CS的硅油、30％-70％微米级Fe3O4粒子、1％-5％分散剂、2％-15％微米级抛光磨粒及少量稳定添加剂，将各组分混合后充分搅拌后通过超声波震动10-30分钟，形成电磁流变抛光液；

S4：将电磁流变抛光液均匀倒在抛光设备的上绝缘抛光盘内，启动第一驱动电机，空心偏心转轴在第一同步带和第一从动带轮的带动下旋转，迫使以空心偏心转轴作为曲柄转动，磁极盘摆幅调节结构作为摇杆摆动，磁铁安装盘作为连杆做平面往复运动，旋转转接盘保持相对静止状态，实现磁极端面的静态磁场向动态磁场转变，电磁流变抛光液在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫；

S5：根据加工对象的特征，通过高压发生器为盘型电极和环形电极组提供合适电压大小和频率的交直流电，相邻电极在绝缘盘面形成1000kV/mm-5000kV/mm的高压电场，电场和磁场对柔性抛光垫的耦合作用进一步提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度；

S6:启动第二驱动电机，同时带动上绝缘抛光盘和磁铁安装盘绕空心转轴高速旋转，驱动柔性抛光垫高速旋转和低速摆动，实现工件表面的高效超光滑加工。

优选地，根据加工对象特点，配置电磁流变抛光液，为盘型电极和环形电极组接通相同高压电位并为导电材料工件夹具通入低压电位，使电磁流变抛光液在高压电场作用下形成较厚的电磁流变柔性抛光垫，或分别为盘型电极和环形电极组通电形成高压电位差，使用绝缘材料工件夹具，使电磁流变抛光液在高压电场作用下形成较扁平的电磁流变柔性抛光垫，在不加入磁场的作用下，启动第二驱动电机可实现工件表面的电流变超光滑平面加工。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明提出了一种电磁耦合抛光设备，通过对盘型电极、环形电极组接入不同的电压大小、频率或改变节电的方式能有效地控制电场盘结构产生的电场和磁极盘摆动结构产生的磁场的耦合方式，可以有效地提升柔性抛光垫的粘度、剪切应力甚至形装，进而从物理去除上提升柔性抛光垫对加工对象的去除率。

本发明优化了磁极的布置结构，用永磁环组够成磁场的发生结构，使盘面布满环状磁场，而通过空心偏心转轴、旋转转接盘、磁极盘摆幅调节结构、磁极摆动结构构成曲柄摇杆关系，磁极摆动结构作为连杆在空心偏心转轴转动时保持往复平动。

本发明通过调整磁极盘摆幅调节结构中第一连接轴和第二连接轴的间距，可以实现针对不同加工对象所需的磁场偏摆幅度，结构更加简单，也保证了柔性抛光垫的磁性链在磁场盘偏摆时得到重新排布二实现磨料的更新自锐和抛光垫的实施修复。

本发明为盘型电极、环形电极组提供高压电，导线穿过空心定轴配合第一碳刷构件以及第二碳刷构件为盘型电极、环形电极组供电，在提供电压的同时保证了设备的安全性；本发明配制的电磁流变抛光液为硅油基电介质，加工性能好，适合大直径晶片的平面高效超光滑均匀抛光加工。

附图说明

图1为本发明中电磁耦合抛光设备中沿定轴轴线与空心转轴的轴线的剖面图；

图2为本发明一种电磁耦合抛光设备的加工方法原理图；

图3为本发明一种电磁耦合抛光设备中磁极盘摆幅调节结构局部放大示意图；

图4为本发明一种电磁耦合抛光设备的运动示意图；

图5为图1中沿A-A剖视图(电场结构)；

图6为图1中沿B-B剖视图(磁场结构)；

图7为本发明一种电磁耦合抛光设备的一种单工位具体加工实施方式示意图；

图8为本发明一种电磁耦合抛光设备的一种多工位具体加工实施方式示意图；

其中，1定轴，2第一轴承，3第一套筒，4空心偏心转轴，5第一从动带轮，6第二轴承，7第二轴承，8第一同步带，9第一轴承压盖，10第一主动带轮，11第一驱动电机，12第一电机安装板，13凸型底座，14底板，15空心转轴，16第二从动带轮，17第三轴承，18第三套筒，19圆柱座，20第二同步带，21第二主动带轮，22第二电机安装板，23第二驱动电机，24旋转转接盘，25磁铁安装盘，26磁轭盘，27第一环形磁铁组，28第二环形磁铁组，29铝环组，30盘面挡边，31下绝缘盘，32绝缘凹槽组，33盘型电极，34环形电极组，35上绝缘抛光盘，36交叉滚子轴承，37第二轴承压盖，38第一导线，39第一轴承压盖，40第一碳刷构件，41第二碳刷构件，42封盖，43第二导线，44快夹装置，45第四轴承，46第四轴承压盖，47第一连接轴，48第三驱动电机，49电机固定件，50内圆偏心筒，51第五轴承，52第六轴承，53第五轴承压盖，54第二连接轴，55第六轴承压盖，56第七轴承，57端盖，58调平螺栓，59工件夹具，60工件，61工件转轴，62电磁流变抛光液，63机架，64转轴固定架，65提升部件，66柔性抛光垫，67电场线，68磁场线，69步进电机转动，70空心偏心轴旋转，71磁极盘摆幅调节结构摆动，72磁场盘往复运动，73抛光盘转动，74空心偏心转轴的偏心轴；75第一空腔结构、76敞口结构、77磁极盘摆幅调节结构、78第一阶梯孔、79第二阶梯孔、80第一电环环、81第二电滑环。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1至图6所示，一种电磁耦合抛光设备包括多层驱动输入结构、用于装设电磁流变抛光液的电场盘结构以及磁极盘摆动结构，磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液62在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫66，电场盘结构产生的电场与磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫66的剪切应力和粘度；其中多层驱动输入结构包括基座、设于基座上的偏心传动部分以及主传动部分，磁极盘摆动结构设于偏心传动部分上，电场盘结构设于主传动部分上。工件被夹持放置在电场盘结构中并位于电磁流变抛光液上方，在磁极盘摆动结构的作用下，电磁流变抛光液62形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫；此外，电场盘结构产生的电场与磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度，从而实现对工件表面的高效超光滑加工。

其中，基座包括底板14以及设于底板14上的凸型底板13，凸型底板13底部设置有第一空腔结构75，凸型底板13的上端面设置有贯穿第一空腔结构75的圆孔，圆孔中安装有定轴1，定轴1的一端与底板14固定连接；偏心传动部分安装在定轴上，主传动部分安装在偏心传动部分上。定轴1固定安装在底板14上，偏心传动部分安装在定轴1上且能够绕着定轴1旋转运动；主传动部分活动安装在偏心传动部分上，且能够绕着偏心传动部分做旋转运动。

另外，偏心传动部分包括通过第一套筒3、第一轴承2安装在定轴1上的空心偏心转轴4、固定设于空心偏心转轴4一端的第一从动带轮5以及与第一从动带轮5通过第一同步带8相连的第一主动带轮10，第一主动带轮10与设于凸型底板13上的第一驱动电机11的主轴相连；第一主动带轮10、第一从动带轮5以及第一同步带8均设于第一空腔结构75中，磁极盘摆动结构固定安装在空心偏心转轴4远离第一从动带轮5的一端。为了使得空心偏心转轴4与定轴1活动连接，定轴1上安装第一套筒3与第一轴承2，且第一轴承2设置有两组，两组第一轴承2设置在第一套筒3的上下两端，第一驱动电机11带动第一主动带轮10转动，第一主动带轮10通过第一同步带8带动第一从动带轮5旋转，第一从动带轮5带动与其固定相连的空心偏心转轴4旋转，在空心偏心转轴4旋转的过程中，空心偏心转轴4带动与其固定相连的磁极盘摆动结构旋转，从而使得磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫，从而对工件进行初步的抛光处理。需要说明的是，第一驱动电机11通过第一驱动电机安装板12安装在凸型底板13上，且第一驱动电机11安装在定轴1的左侧；此外，第一套筒3与定轴1同心安装，上方的第一轴承2通过第一轴承压盖39、螺钉与空心偏心转轴4固定相连。

其中，主传动部分包括通过第二套筒7、第二轴承6安装在空心偏心转轴4上的空心转轴15、固定设于空心转轴15一端的第二从动带轮16以及与第二从动带轮16通过第二同步带20相连的第二主动带轮21，第二主动带轮21与设于凸型底板13上的第二驱动电机23的主轴相连；第二主动带轮21、第二从动带轮16以及第二同步带20均设于第一空腔结构75中，空心转轴15远离第二从动带轮16的一端固定设置有具有敞口结构76的旋转转接盘24，旋转转接盘24上设置有用于调节磁极盘摆动结构摆幅的磁极盘摆幅调节结构77，旋转转接盘24上设置有用于与电场盘结构相连接的紧固装置44。为了使得空心转轴15与空心偏心转轴4活动连接，第二套筒7与第二轴承6分别安装在空心偏心转轴15上，且第二轴承6可以设置两组，两组第二轴承6可分别设置在第二套筒7的上下端面上。第二驱动电机23带动第二主动带轮21旋转，第二主动带轮21通过第二同步带20带动第二从动带轮16旋转，第二从动带轮16带动与其固定相连的空心转轴15旋转，空心转轴15带动固定安装其上的旋转转接盘24旋转，由于旋转转接盘24与电场盘通过紧固装置44锁紧，旋转转接盘24在转动的同时带动电场盘结构旋转。此外，旋转转接盘24上设置的磁极盘摆幅调节结构77可用于调节磁极盘摆动结构的摆幅，从而可以实现针对不同加工对象所需的磁场偏摆幅度，结构更加简单，保证了柔性抛光垫的磁性链在磁场盘偏摆时得到重新排布二次实现磨料的更新自锐和抛光垫的实施修复。需要说明的是，上方的第二轴承6通过第二轴承压盖37、螺钉结构与空心转轴15固定相连；第二套筒7与空心偏心转轴4同心安装，空心转轴15的外圆侧设置通过第三套筒18、两组第三轴承17安装有圆柱座19，圆柱座19通过螺钉结构与凸型底座13固定连接，上方的第三轴承17通过第三轴承压盖9、螺钉与圆柱座19固定相连；圆柱座19为偏心传动部分以及主传动部分起到固定的作用，保持了整个设备的稳定性。为了使得第二驱动电机23布局得更加合理，第二驱动电机23通过第二驱动电机安装板22设置在定轴1的右侧，由于第一驱动电机11设置在定轴1的左侧，第二驱动电机23设置在定轴1的右侧，第一驱动电机11与第二驱动电机23分别设置在定轴1的两侧，有利于保证整个设备的结构强度。

另外，磁极盘摆动结构4包括螺纹连接在空心偏心转轴4上的交叉滚子轴承36以及与交叉滚子轴承36固定连接的磁铁安装盘25；磁铁安装盘25上端面设置有圆槽，圆槽中设置有磁轭盘26，磁轭盘26上依次交替设置有第一环形磁铁组27以及第二环形磁铁组28,第一环形磁铁组27与第二环形磁铁组28之间设置有铝环组29，磁铁安装盘25的下端面与磁极盘摆幅调节结构77相连接。第一环形磁铁组27以及第二环形磁铁组28的设置使得磁极盘摆动结构产生强度不一的磁场。空心偏心转轴7、旋转转接盘24、磁极盘摆幅调节结构77、磁极盘摆动结构构成曲柄摇杆关系，磁极盘摆动结构作为连杆在空心偏心转轴4转动时保持往复平动。需要说明的是，第一环形磁铁组27、第二环形磁铁组28采用钕铁硼材料，其磁场强度范围为2000GS至6000GS，两组环形磁铁与铝环组29交替排列安装在磁轭盘面上，其截面为矩形，第一环形磁铁铁27与第二磁铁组28的直径以相同公差从圆心往外圆侧递增，第一环形磁铁铁27与第二磁铁组28的充磁方向沿轴向相反或相同，磁铁安装盘25的材料为铝合金或其他非磁性材料，磁轭盘26的材料为电工纯铁DT4或其他导磁材料。需要说明的是，磁铁存在边缘磁场效应，第一环形磁铁铁27与第二磁铁组28采用隔开的方式进行分布，有效地在抛光盘面形成更多的边缘磁场，增大了盘面的磁场强度，各环组的直径按同一公差递增保证磁场有规律地均匀分布在抛光盘面，相对于整块磁场形成的磁场，其磁场更均匀，相对于点阵磁极的磁场其磁场分布面积更大。

其中，磁极盘摆幅调节结构77包括设于磁铁安装盘25下端面的第一阶梯孔78、一端通过第四轴承45安装于第一阶梯孔78中的第一连接轴47、设于旋转转接盘24上端面的第二阶梯孔79、一端通过第七轴承56安装于第二阶梯孔79中的第二连接轴54以及用于调节第一连接轴47与第二连接轴54轴心距的调节装置；调节装置包括具有第二空腔结构的电机固定件79、设于电机固定件49上的第三驱动电机48以及安装在第二空腔结构中的内圆偏心筒50，第三驱动电机48的输出轴伸入至第二空腔结构中并与内圆偏心筒50相连接，第二连接轴54的另一端通过第六轴承52安装在内圆偏心筒50的第二空腔结构中，第一连接轴47的另一端与电机固定件49固定连接。磁极盘摆幅调节结构77中的调节装置调节第一连接轴47与第二连接轴54的间距，可以实现针对不同加工对象所需的磁场偏摆幅度，结构更加简单，也保证了柔性抛光点的磁性链在磁极盘摆动结构偏摆时得到重新排布二实现磨料的更新自锐和抛光垫的实施修复。需要说明的是，第一连接轴47通过第四轴承45安装在第一阶梯孔78中，并通过第四轴承压盖46、螺钉结构与磁铁安装盘25进行固定；第二连接轴54通过第七轴承56安装在第二阶梯孔79中，并通过第七轴承压盖55、螺钉结构与旋转转接盘24进行固定；内圆偏心筒50通过第五轴承51与第二空腔结构相连接，在第二空腔结构的开口处设置有第五轴承压盖53，第五轴承压盖53通过螺钉结构与电机固定件49固定相连；第二阶梯孔79的开口处设置有第七轴承压盖55，第七轴承压盖55通过螺钉结构与旋转转接盘24固定相连。为了使得调节装置的安装拆卸，第二阶梯孔79可以设置在旋转转接盘24中的端盖57上，通过端盖57与旋转转接盘24之间的螺钉连接，便于整个磁极盘摆幅调节结构的拆卸、安装。

另外，电场盘结构包括设于定轴上并位于磁铁安装盘25上方的下绝缘盘31以及设于下绝缘盘31中的盘型电极33，盘型电极33上设置有若干环形凹槽，环形凹槽中设置有绝缘凹槽组32，绝缘凹槽组32中设置有环形电极组34；下绝缘盘31的上端面覆盖设置有上绝缘抛光盘35；盘型电极33外圆侧设置有盘面挡边30；定轴1为空心定轴，空心定轴上从上至下依次设置有第二导电滑环81以及第一导电滑环80，下绝缘盘31中心并位于空心定轴侧设置有第一碳刷构件40与第二碳刷构件41，第一碳刷构件40的一端与第一导电滑环80电连接，第一碳刷构件40的另一端通过第一导线38与盘型电极33电连接；第二碳刷构件41的一端与第二导电滑环81电连接，第二碳刷构件41的另一端通过第二导线43分别与对应的环形电极组34电连接；第一导电滑环80与第二导电滑环81分别通过设于空心定轴中的导线连接在高压发生器上，紧固装置44用于连接旋转转接盘24与下绝缘盘31。通过高压发生器为盘型电极33以及环形电极34组提供合适电压大小和频率的交直流电，相邻电极在下绝缘盘31形成高压电场，产生的高压电场和磁极盘摆动结构产生的磁场对柔性抛光垫的耦合作用进一步提高柔性抛光垫的剪切应力和粘度，有利于对工件进行有效的抛光处理。需要说明的是，上绝缘抛光盘35的材料为钢化玻璃或者耐磨绝缘陶瓷，下绝缘盘31的材料为高强度绝缘陶瓷材料；环形电极组34和盘型电极33材料采用铜，其上沿半径方向均开有直线小槽，直线小槽安装关系为共线，第二导线43通过小槽与环形电极组34焊接，其末端连接第二碳刷构件41，第二碳刷构件41与第二导电滑环81电连接，第二导电滑环81通过空心定轴1的中空空间引出导线与高压发生器的一端相连；第一导线38通过小槽与盘型电极33焊接，其末端连接第一碳刷构件40，第一碳刷构件40与第一导电滑环80电连接，第一导电滑环80通过定轴1的中空空间引出导线与高压发生器的另一端电连接。高压发生器的输入电压为高压电，范围为0kv至10kv，频率从直流到20kHz。上绝缘抛光盘35中部通过螺纹连接方式安装封盖42，其连接位置设置密封胶圈；盘面挡边30与上绝缘抛光盘35的连接处做密封处理。此外，紧固装置安装在旋转转接盘与下绝缘盘的外缘侧，紧固装置44可以为如图所示的快夹装置，通过操作快夹装置的操作手柄，将旋转转接盘24与下绝缘盘31固定在一起；除了快夹装置外也可以通过分别在旋转转接盘24、下绝缘盘31的外圆侧设置通孔结构，在通孔结构中设置螺栓，利用螺栓将旋转转接盘与下绝缘盘连接在一起。

其中，磁极盘摆幅调节结构为一个或多个，第二阶梯孔79的半径等于第一阶梯孔78的半径，第二阶梯孔79的半径大于空心偏心转轴4的偏心距，调节装置调节第一连接轴47与第二连接轴54的轴心距的范围大于等于空心偏心转轴4的偏心距。磁极盘摆幅调节结构77的数量为1个或多个，其安装所需的旋转转接盘24的第二阶梯孔79与磁铁安装盘25上的第一阶梯孔78数量一致，阵列排布规律相同。

实施例2

如图7所示，本发明还提供一种电磁耦合抛光设备的电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法，主要包括以下步骤：

1)针对4英寸的蓝宝石晶片的特点，选择界面宽10mm、高8mm的第一环形磁铁组27、第二环形磁铁组28组合在磁耦合抛光设备磁铁安装盘25内，磁极环充磁方向为沿轴向，同向布置，磁场强度4000GS，根据磁极盘偏摆幅度的需求，启动第三驱动电机48调整磁极盘摆幅调节结构77中第一连接轴47与第二连接轴54的中心距为10mm，空心偏心轴4偏心距为5mm；

2)将4英寸蓝宝石晶片安装在工件夹具59上，工件夹具59选用绝缘材料，工件60下表面与抛光设备上绝缘抛光盘面35保持端面水平，通过上下提升结构调整工件60下表面和上绝缘抛光盘面35间距为1mm；

3)根据加工对象配置电磁流变抛光液62，配置电磁流变液62，其组分包括35％硅油、57％微米级Fe3O4粒子、3％甘油、3％微米级金刚石磨粒及少量稳定添加剂，将各组分混合后充分搅拌后通过超声波震动10-30分钟，形成电磁流变抛光液；

4)将电磁流变抛光液62均匀倒在抛光设备的上绝缘抛光盘内35，启动第一驱动电机11，空心偏心轴4在第一同步带8和第一从动带轮5的带动下旋转，迫使以空心偏心轴4作为曲柄转动，磁极盘摆幅调节结构77作为摇杆摆动，磁铁安装盘25作为连杆做平面往复运动，旋转转接盘24保持相对静止，实现第一环形磁铁组27、第二环形磁铁组28端面的静态磁场向动态磁场转变，电磁流变抛光液62在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫66，调节第一驱动电机11转速，磁铁安装盘25往复运动速度为10次/min；

5)根据加工对象的特征，通过高压发生器为盘型电极33和环形电极组34分别连接高压直流电正负极，相邻电极在绝缘盘面形成3000kV/mm的高压电67，如图2所示，电场线68和磁场线67在抛光盘面互相垂直，对柔性抛光垫66的耦合作用进一步提高柔性抛光垫66的剪切应力和粘度，进而提高对蓝宝石晶片的加工效率；

6)启动第二驱动电机23，调节上绝缘抛光盘为350rpm，上绝缘抛光盘35和磁铁安装盘25绕空心转轴15高速旋转，调节工件主轴61转速为250rpm，整体设备加工运动如图4，加工60分钟，完成单片蓝宝石晶片表面的高效超光滑加工，获得Ra0.3nm的超光滑平面。

实施例3

如图8所示，与实施例2的区别包括：其一，本发明的一种电磁耦合抛光设备内部结构中部安装磁极，其二为使用单一电场对2英寸的石英玻璃进行抛光加工；

一种电磁耦合抛光设备的电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法，主要包括以下步骤：

1)将多片2英寸的石英玻璃安装在工件夹具59上，工件夹具59选用铝合金材料，工件下表面与抛光设备上绝缘抛光盘面35保持端面水平，通过上下提升结构调整工件60下表面和上绝缘抛光盘面35间距为0.5mm；

2)根据加工对象配置电磁流变抛光液62，其组分包括42％硅油、50％微米级Fe3O4粒子、3％甘油、4％微米级氧化铈磨粒及少量稳定添加剂，将各组分混合后充分搅拌后通过超声波震动10-30分钟，形成电磁流变抛光液62；

4)将电流变抛光液62均匀倒在上绝缘抛光盘内35，再根据石英玻璃的加工特点，盘型电极33和环形电极组34连接高压交流发生器的其中一个电极，铝合金工件夹具59连接另一个电极，绝缘盘面和工件表面件形成5000kV/mm的高压交流电场67，交流电频率为0.8HZ，此时电场线68垂直于盘面，电流变抛光液62在高压电厂下形成柔性抛光垫66；

4)启动第二驱动电机23，调节上绝缘抛光盘为400rpm，上绝缘抛光盘35和磁铁安装盘25绕空心转轴15高速旋转，调节各工件主轴61转速为300rpm，加工30分钟，完成对多篇2英寸石英玻璃表面的高效超光滑加工，获得Ra0.3nm的超光滑平面。

综上所述，采用本发明提供的一种集束式动态磁场磁流变抛光装置能获得工件表面一致性好且无表面和亚表面损伤的高质量工件，适合光电子、微电子基片和光学元件的平面高效率超光滑均匀抛光加工。同时，本装置使用过程中可以实现静态磁场与动态磁场加工、电场加工、电磁耦合加工、一点及多点加工等多种加工方式，同时也适合用于研究光学材料的材料去除机理和亚表面损伤检测等试验。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁耦合抛光设备,其特征在于:所述抛光设备包括多层驱动输入结构、用于装设电磁流变抛光液(62)的电场盘结构以及磁极盘摆动结构，所述磁极盘摆动结构用于电磁流变抛光液(62)在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫(66)，所述电场盘结构产生的电场与所述磁极盘摆动结构产生的磁场相耦合以提高柔性抛光垫(66)的剪切应力和粘度；其中所述多层驱动输入结构包括基座、设于所述基座上的偏心传动部分以及主传动部分，所述磁极盘摆动结构设于所述偏心传动部分上，所述电场盘结构设于所述主传动部分上。

2.根据权利要求1所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述基座包括底板(14)以及设于所述底板(14)上的凸型底板(13)，所述凸型底板(13)底部设置有第一空腔结构(75)，所述凸型底板(13)的上端面设置有贯穿所述第一空腔结构(75)的圆孔，所述圆孔中安装有定轴(1)，所述定轴(1)的一端与所述底板(14)固定连接；所述偏心传动部分安装在所述定轴(1)上，所述主传动部分安装在所述偏心传动部分上。

3.根据权利要求2所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述偏心传动部分包括通过第一套筒(3)、第一轴承(2)安装在所述定轴(1)上的空心偏心转轴(4)、固定设于所述空心偏心转轴(4)一端的第一从动带轮(5)以及与所述第一从动带轮(5)通过第一同步带(8)相连的第一主动带轮(10)，所述第一主动带轮(10)与设于凸型底板(13)上的第一驱动电机(11)的主轴相连；所述第一主动带轮(10)、第一从动带轮(5)以及第一同步带(8)均设于所述第一空腔结构(75)中，所述磁极盘摆动结构固定安装在所述空心偏心转轴(4)远离第一从动带轮(5)的一端。

4.根据权利要求3所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述主传动部分包括通过第二套筒(7)、第二轴承(6)安装在所述空心偏心转轴(4)上的空心转轴(15)、固定设于所述空心转轴(15)一端的第二从动带轮(16)以及与所述第二从动带轮(16)通过第二同步带(20)相连的第二主动带轮(21)，所述第二主动带轮(21)与设于凸型底板(13)上的第二驱动电机(23)的主轴相连；所述第二主动带轮(21)、第二从动带轮(16)以及第二同步带(20)均设于所述第一空腔结构(75)中，所述空心转轴(15)远离第二从动带轮(16)的一端固定设置有具有敞口结构(76)的旋转转接盘(24)，所述旋转转接盘(24)上设置有用于调节所述磁极盘摆动结构摆幅的磁极盘摆幅调节结构(77)，所述旋转转接盘(24)上设置有用于与所述电场盘结构相连接的紧固装置(44)。

5.根据权利要求4所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：磁极盘摆动结构包括螺纹连接在空心偏心转轴(4)上的交叉滚子轴承(36)以及与所述交叉滚子轴承(36)固定连接的磁铁安装盘(25)；所述磁铁安装盘(25)上端面设置有圆槽，所述圆槽中设置有磁轭盘(26)，所述磁轭盘(26)上依次交替设置有第一环形磁铁组(27)以及第二环形磁铁组(28),所述第一环形磁铁组(27)与所述第二环形磁铁组(28)之间设置有铝环组(29)，所述磁铁安装盘(25)的下端面与所述磁极盘摆幅调节结构(77)相连接。

6.根据权利要求5所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述磁极盘摆幅调节结构(77)包括设于磁铁安装盘(25)下端面的第一阶梯孔(78)、一端通过第四轴承(45)安装于所述第一阶梯孔(78)中的第一连接轴(47)、设于旋转转接盘(24)上端面的第二阶梯孔(79)、一端通过第七轴承(56)安装于所述第二阶梯孔(79)中的第二连接轴(54)以及用于调节第一连接轴(47)与所述第二连接轴(54)轴心距的调节装置；所述调节装置包括具有第二空腔结构(82)的电机固定件(49)、设于所述电机固定件(49)上的第三驱动电机(48)以及安装在所述第二空腔结构中的内圆偏心筒(50)，所述第三驱动电机(48)的输出轴伸入至所述第二空腔结构(82)中并与所述内圆偏心筒(50)相连接，所述第二连接轴(54)的另一端通过第六轴承(52)安装在内圆偏心筒(50)的第二空腔结构(82)中，所述第一连接轴(47)的另一端与所述电机固定件(49)固定连接。

7.根据权利要求5所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述电场盘结构包括设于定轴(1)上并位于所述磁铁安装盘(25)上方的下绝缘盘(31)以及设于所述下绝缘盘(31)中的盘型电极(33)，所述盘型电极(33)上设置有若干环形凹槽，所述环形凹槽中设置有绝缘凹槽组(32)，所述绝缘凹槽组(32)中设置有环形电极组(34)；所述下绝缘盘(31)的上端面覆盖设置有上绝缘抛光盘(35)；所述盘型电极(33)外圆侧设置有盘面挡边(30)；所述定轴(1)为空心定轴，所述空心定轴上从上至下依次设置有第二导电滑环(81)以及第一导电滑环(80)，所述下绝缘盘(31)中心并位于空心定轴侧设置有第一碳刷构件(40)与第二碳刷构件(41)，所述第一碳刷构件(40)的一端与所述第一导电滑环(80)电连接，所述第一碳刷构件(40)的另一端与盘型电极(33)电连接；所述第二碳刷构件(41)的一端与所述第二导电滑环(81)电连接，所述第二碳刷构件(41)的另一端分别与对应的环形电极组(34)电连接；所述第一导电滑环(80)与所述第二导电滑环(81)分别通过设于空心定轴中的导线连接在高压发生器上，所述紧固装置(44)用于连接所述旋转转接盘(24)与所述下绝缘盘(31)。

8.根据权利要求6所述的一种电磁耦合抛光设备，其特征在于：所述磁极盘摆幅调节结构(77)为一个或多个，第二阶梯孔(77)的半径等于所述第一阶梯孔(78)的半径，所述第二阶梯孔(77)的半径大于空心偏心转轴(4)的偏心距，所述调节装置调节第一连接轴(47)与第二连接轴(54)的轴心距的范围大于等于空心偏心转轴(5)的偏心距。

9.一种电磁耦合抛光设备的电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：针对加工对象的特点，选择合适的第一环形磁铁组(27)与第二环形磁铁组(28)的半径组合、对第一环形磁铁(27)与第二环形磁铁组(28)进行轴向充磁且充磁方向相同或相反，将第一环形磁铁组(27)与第二环形磁铁组(28)安装在磁轭盘(26)内，根据磁铁盘(25)偏摆幅度的需求，启动第三驱动电机(48)调整所述磁极盘摆幅调节结构(77)中第一连接轴(47)与第二连接轴(54)的中心距；

S2：将工件(60)安装在工具头上，工件下表面与抛光设备上绝缘抛光盘面(35)保持端面水平，通过上下提升结构调整工件(60)下表面和上绝缘抛光盘面(35)间距为0.5mm-5mm；

S3：根据加工对象配置电磁流变抛光液(62)，其组分包括20％-50％粘度为50CS-500CS的硅油、30％-70％微米级Fe3O4粒子、1％-5％分散剂、2％-15％微米级抛光磨粒及少量稳定添加剂，将各组分混合后充分搅拌后通过超声波震动10-30分钟，形成电磁流变抛光液；

S4：将电磁流变抛光液(62)均匀倒在抛光设备的上绝缘抛光盘内(35)，启动第一驱动电机(11)，空心偏心转轴(4)在第一同步带(8)和第一从动带轮(5)的带动下旋转，迫使以空心偏心转轴(4)作为曲柄转动，磁极盘摆幅调节结构(77)作为摇杆摆动，磁铁安装盘(25)作为连杆做平面往复运动，旋转转接盘(24)保持静止，实现磁极(27、28)端面的静态磁场向动态磁场转变(68)，电磁流变抛光液(62)在动态磁场的作用下形成实时磨料更新自锐和形状恢复的柔性抛光垫(66)；

S5：根据加工对象的特征，通过高压发生器为盘面电极(33)和环形电极组(34)提供合适电压大小和频率的交直流电，相邻电极在绝缘盘面形成1000kV/mm-5000kV/mm的高压电场(67)，电场和磁场对柔性抛光垫(66)的耦合作用进一步提高柔性抛光垫(66)的剪切应力和粘度；

S6:启动第二驱动电机(23)，同时带动上绝缘抛光盘(35)和磁铁安装盘(25)绕空心转轴(15)高速旋转，驱动柔性抛光垫(66)高速旋转和低速摆动，实现工件(60)表面的高效超光滑加工。

10.根据权利要求9所述的一种电磁耦合抛光设备的电磁耦合控制磨粒状态的抛光方法，其特征在于，根据加工对象特点，配置电磁流变抛光液(62)，为盘型电极(33)和环形电极组(34)接通相同高压电位并为导电材料工件夹具(59)通入低压电位，使电磁流变抛光液(62)在高压电场作用下形成较厚的柔性抛光垫(66)，或分别为盘型电极(33)和环形电极组(34)通电形成高压电位差，使用绝缘材料工件夹具(59)，使电磁流变抛光液(62)在高压电场(67)作用下形成较扁平的柔性抛光垫(66)，在不加入磁场的作用下，启动第二驱动电机(23)可实现工件(60)表面的电流变超光滑平面加工。